黃志偉教授課題組在《自然》發(fā)文揭示人T細(xì)胞受體-共受體（TCR-CD3）復(fù)合物組裝的 分子機(jī)制
8月28日，生命學(xué)院黃志偉課題組在《自然》（Nature）上在線(xiàn)發(fā)表了題為《人T細(xì)胞受體-共受體復(fù)合物組裝的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)》（Structural basis of assembly of the human TCR-CD3 complex）的研究文章（Article）。該研究首次解析了人T細(xì)胞受體-共受體（TCR-CD3）復(fù)合物（包含全部8個(gè)亞基）的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)分析，揭示了TCR和CD3亞基在膜外側(cè)以及膜內(nèi)識(shí)別、組裝成功能復(fù)合物的分子機(jī)制，從而回答了免疫領(lǐng)域關(guān)于T細(xì)胞受體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，而且對(duì)解析T細(xì)胞活化的分子機(jī)制具有重要的科學(xué)意義，同時(shí)也為開(kāi)發(fā)基于T細(xì)胞受體的免疫療法提供關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
T細(xì)胞是脊椎動(dòng)物適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的關(guān)鍵細(xì)胞，在病毒感染、癌癥以及自體免疫疾病中起著關(guān)鍵作用。T細(xì)胞免疫反應(yīng)包括由TCR首先識(shí)別抗原呈遞細(xì)胞（APC）上結(jié)合了抗原肽的MHC復(fù)合物（pMHC），然后TCR通過(guò)其結(jié)合的共受體（CD3）將抗原信號(hào)傳遞到CD3的ζ亞基的胞內(nèi)ITAM區(qū)域，進(jìn)而啟動(dòng)T細(xì)胞內(nèi)級(jí)聯(lián)免疫信號(hào)通路殺死病原感染細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞。
大多數(shù)成熟T細(xì)胞(約95%)的TCR由通過(guò)二硫鍵相連的α和β兩條異二聚體肽鏈組成，TCRα/β的可變區(qū)（Vα和Vβ）負(fù)責(zé)識(shí)別抗原信號(hào)，TCRα/β與含有γ/ε、δ/ε’和ζ/ζ’六個(gè)亞基進(jìn)行信號(hào)傳遞的共受體CD3組成TCR-CD3受體復(fù)合物，該復(fù)合物決定著T細(xì)胞的發(fā)育、激活以及對(duì)病原的免疫反應(yīng)。在過(guò)去的二十年中，人們對(duì)TCR胞外可變區(qū)如何識(shí)別各種抗原進(jìn)行了很深入的研究，但作為細(xì)胞免疫基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題之一的TCR-CD3復(fù)合物組裝以及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)仍然未知。
本研究中首先對(duì)不同人的細(xì)胞庫(kù)進(jìn)行篩選確定研究的目標(biāo)TCR復(fù)合物，接著尋找到合適的化學(xué)交聯(lián)劑用于純化蛋白復(fù)合物樣品，接著通過(guò)冷凍電鏡解析了第一個(gè)來(lái)源于人的TCRα/β-CD3復(fù)合物的3.7 Å的高分辨率結(jié)構(gòu)（圖一）。該TCR-CD3復(fù)合物結(jié)構(gòu)包含完整的胞外結(jié)構(gòu)域(ECD)以及所有跨膜區(qū)域。該TCR-CD3復(fù)合物結(jié)構(gòu)顯示其由1:1:1:1的TCRα/β:CD3γ/ε:CD3δ/ε’:CD3ζ/ζ’八聚體亞基組裝形成，這與之前的生化研究結(jié)果一致。TCR-CD3復(fù)合物的胞外區(qū)域由TCRα/β的恒定區(qū)以及連接胞外和膜內(nèi)的連接肽結(jié)合CD3的γ/ε和δ/ε’兩個(gè)二聚體模塊組裝而成，TCR-CD3復(fù)合物胞外區(qū)域的組裝在接近細(xì)胞膜的外側(cè)形成類(lèi)三次對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，TCRβ亞基的恒定區(qū)位于該三次對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的中心位置。CD3膜內(nèi)部分由ζ/ζ’亞基的兩個(gè)跨膜螺旋和γ/ε以及δ/ε’亞基的跨膜螺旋結(jié)合形成桶狀構(gòu)象。TCR-CD3復(fù)合物膜內(nèi)組裝由TCRα/β的兩個(gè)跨膜螺旋通過(guò)疏水和電荷作用插入CD3筒狀跨膜結(jié)構(gòu)中形成（圖二）。所以，TCR-CD3各亞基近膜側(cè)的連接肽以及膜內(nèi)區(qū)域的強(qiáng)相互作用對(duì)整個(gè)復(fù)合物的組裝起著關(guān)鍵作用。有趣的是，將該復(fù)合物結(jié)構(gòu)與結(jié)合有pMHC的TCRα/β胞外的區(qū)域結(jié)構(gòu)比較發(fā)現(xiàn)pMHC的結(jié)合并沒(méi)有引起TCRα/β結(jié)構(gòu)的明顯變化。
文章審稿人對(duì)該項(xiàng)研究給予了高度評(píng)價(jià)：“該研究工作代表了細(xì)胞適應(yīng)性免疫的分子機(jī)理研究的一個(gè)重要里程碑。通過(guò)闡明第一個(gè)在膜上組裝的T細(xì)胞受體和其CD3共受體的結(jié)構(gòu)，極大地增加了我們對(duì)T細(xì)胞識(shí)別抗原反應(yīng)的激活機(jī)制的理解。”（“The work represents a major milestone in the study of the molecular basis of cell-mediated, adaptive immune responses. By elucidating the first structure of the membrane assembly between a clonotypic T cell receptor and its CD3 co-receptor, this work greatly enhances our understanding of the “triggering” mechanism which allows T cells to recognize and respond to aberrant peptide antigens.”）
生命學(xué)院博士生董德、碩士生林建銓以及北京大學(xué)博士生鄭呂欽為該論文的并列第一作者。黃志偉教授和北京大學(xué)高寧教授為本研究論文的共同通訊作者。生命學(xué)院技術(shù)員張百靈、博士后朱玉威等參與該研究的部分工作。生命學(xué)院電鏡平臺(tái)以及北京大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)提供支持。本項(xiàng)目受到國(guó)家自然科學(xué)基金委、哈工大青年科學(xué)家工作室等基金的資助。
圖一、TCR-CD3復(fù)合物的整體結(jié)構(gòu)圖
圖二、TCR-CD3復(fù)合物細(xì)胞膜內(nèi)組裝的細(xì)節(jié)圖
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1537-0
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